Кондратенко Физика полупроводниковыих приборов 2009

транзисторов показывает, что в ней Iс ~ exp(Uзи/nφT), где φT – температурный потенциал (примерно 25 мВ при комнатной температуре). Таким образом, в подпороговой области транзистор хотя и работает в микрорежиме, но управляем, и имеет проходную ВАХ, которая, как и ВАХ pn–перехода , представляет собой экспоненциальную зависимость.

Аналогично на выходной ВАХ можно определить режимы работы ПТ с каналом p-типа. В этом случае знаки всех напряжений должны быть изменены на противоположные.

Для МДП-транзисторов используются альтернативные названия перечисленных выше общих режимов работы (табл. 2.1). В МДП - транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал образуется за счет слабой или сильной инверсии исходной проводимости области между истоком и стоком. В МДП-транзисторах со встроенным каналом при увеличении |Uзи| изначально существующий канал обогащается, а при уменьшении |Uзи| – обедняется свободными носителями, что и объясняет альтернативные названия режимов работы.

Таблица 2.1. Альтернативные названия режимов работы для МДП-транзисторов

11

области больших токов проявляется, например, в снижении коэффициента передачи тока эмиттера Iэ (и коэффициента усиления тока базы Iб) и в появлении линейного (омического) участка на входной ВАХ БТ из-за сопротивления пассивной области базы.

3. Параметры биполярных транзисторов

При проектировании и расчете аналоговых электронных устройств, в частности линейных усилителей с использованием биполярных и полевых транзисторов, необходимо знать параметры их линейных (малосигнальных) схем замещения [3, 4]. Определить значения параметров можно, используя справочники, например, [5]. На рис. 3.1 приведены высокочастотные схемы замещения (ЭС) биполярных транзисторов (БТ) (а – Т-образная, б – гибридная П- образная), пригодные для объяснения работы БТ на переменном сигнале в нормальной активной области (т.е. при прямосмещенном pn- переходе “ эмиттер-база” и при обратносмещенном pn- переходе “ коллектор-база”). Для того чтобы БТ находился в нормальной активной области (иначе называемой линейной), следует, как известно, обеспечить надлежащий стационарный режим, т.е. определенное положение рабочей точки (Р.Т.), задавая постоянный ток коллектора IК и постоянное напряжение между выводами коллектора и эмиттера UКЭ требуемой величины. На рис. 3.2 указаны направления этих токов, причем:

Iэ = Iк + Iб ≈ Iк ;

потенциал эмиттера принят равным нулю, а знаками “+” и “-” отмечены потенциалы базы и коллектора. Рекомендуемые значения Iк и Uкэ приводятся в справочниках. В справочниках иногда приводятся и зависимости некоторых параметров от токов и напряжений и от температуры окружающей среды. Это позволяет вносить поправки, если выбранный стационарный режим отличается от рекомендованного, а рабочая температура отличается от номинальной, которая обычно принимается равной

20 оC.

14

Для области низших и средних частот (больших и средних времен при исследовании переходных процессов) получаем упрощенные схемы замещения, приведенные на рис. 3.3, в которых частотно-зависимые (инерционные) элементы отсутствуют.

а

б

Рис. 3.3. Упрощенные схемы замещения

Коэффициент передачи тока базы β для этой области частот (времен) можно найти по приводимому в справочнике параметру h21э (где буква “ э” означает, что измерение выполнено для схемы с общим эмиттером (ОЭ)):

β ≈ h21э.

16

Если в справочнике приведен параметр h21б ≈ α (буква “ б” означает, что измерение этого параметра произведено при

соответствующем положению Р.Т., определяют с помощью семейства выходных (коллекторных) вольт-амперных характеристик (ВАХ) Iк = f (Uкэ) при включении ОЭ, если они имеются в справочнике (рис. 3.4,а). обратный ток коллекторного перехода (в кремниевых транзисторах он составляет

На рис. 3.4,б приведены ВАХ передачи Iк = f (Uбэ) при включении транзистора с ОЭ, которые сливаются практически в одну линию (влияние изменений Uкэ очень слабо). Ток коллектора IK экспоненциально зависит от напряжения между эмиттером и базой

Uбэ:

17

(результат записывается в омах, если в (3.3) подставлять ток Iк в миллиамперах). Дифференциальное сопротивление коллекторного

Иногда в справочниках приводится значение h22э, тогда можно использовать выражение

положению Р.Т., определяют с помощью семейства выходных ВАХ

сопротивление rк = 101·10 кОм ≈ 1 МОм. Впрочем, этот параметр редко приходится учитывать (лишь при весьма высокоомных внешних сопротивлениях в цепи коллектора Rк), обычно же его влиянием можно пренебречь, считая rк / (1+β) ≈ ∞, т.е. выбрасывая его из схемы замещения на рис. 3.1 и 3.3.

Сопротивление базы rб (это объемное, или распределенное, сопротивление тела базы транзистора) можно вычислить, пользуясь двумя параметрами, приводимыми в справочниках: постоянной времени цепи обратной связи Cкrб (обычно – в пикосекундах) и величиной емкости коллекторного перехода Ск (обычно – в пикофарадах). Зная (Cкrб) и Ск, нетрудно найти величину rб = (Cкrб) / Ск.

Помимо емкости Ск, величина которой определяется, главным образом, барьерной, или зарядной, емкостью обратно-смещенного коллекторного перехода, а вклад диффузионной составляющей пренебрежимо мал, в схеме замещения на рис. 3.1,а имеется ещё один высокочастотный параметр – постоянная времени τβ, которая определяет ход амплитудно-частотной характеристики β& в

области высших частот. Величина τβ зависит от процессов рекомбинации в области базы при диффузии (и, отчасти, дрейфе) неосновных носителей через область базы. В самом деле, передаточная функция (ПФ) коэффициента передачи тока базы транзистора

19

поэтому амплитудно-фазовая характеристика (АФХ)

β& = β/(1+ jω× τβ ) ;

амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики (АЧХ и ФЧХ)

переходная характеристика (ПХ)

β(t) = β× (1 - e−t / τβ ) .

Соответствующие графики приведены на рис. 3.6, а на рис. 3.7 показаны диаграммы Боде (асимптотические логарифмические АЧХ и ФЧХ) при β = 100 (40 дБ) и τβ =160 нс; частота излома при

этом равна fβ = ωβ / 2π = 1/2πτβ = 1 МГц, а наклон высокочастотной асимптоты АЧХ составляет (-20) дб/декада.

Из рис. 3.7 следует, что предельная частота fТ транзистора, на

где f – частота измерения, при которой β& принимает на

высокочастотной асимптоте значение | β& |. В справочниках для СВЧ транзисторов обычно приводится не непосредственно fТ , а

частоте f , что и позволяет вычислить fТ . Например, используя рис. 3.7, получим fТ ≈100 МГц. Найдя fТ , определяем среднее время пролёта неосновных носителей через область базы τт = =1/(2πfТ) и затем постоянную времени τβ = τт (1+β).

20